卢瑟福金箔实验
01 金箔实验
卢瑟福发现原子核距今已经过去了100多年， 他的实验方法已经成为科学传说中的一部分。 下面展示了重复卢瑟福金箔散射实验的现代实验版本。
▲ 图1.1 卢瑟福金箔散射实验
在卢瑟福设计金箔实验的时，人们认为原子是由一团正电荷物质内部镶嵌着一些带有负电荷的电子组成。 卢瑟福于是构建了这个金箔实验， 他知道alpha射线是是由带有正电的粒子构成，实际上是氦原子核。 他将alpha射线对准一张很薄的金箔。
在这个实验中金属铜罐中包含有少量的镅241，它可以产生alpha粒子。 大部分alpha粒子被金属管吸收。少量的alpha粒子从金属管前面的缝隙中射出，形成正电粒子流。 它们穿过这个厚度为1.5微米的金箔。 后面安放有两个检测器。一个检测器正对着alpha射线，它检测到大部分的alpha粒子。 大约每秒钟1到2千个粒子。 另外一个检测器可以围绕金箔旋转，检测被散射出来的alpha粒子，并获得随着角度不同散射粒子的数量。
▲ 图1.2 实验装置实物
当年卢瑟福和他的同事当年所做的实验非常辛苦， 他们需要在无光线的房子里待上几个小时， 手拿着一个小的荧光屏肉眼观察alpha粒子碰到荧光屏上激发出来的闪烁光线。 现在这个桌面上的实验装置则使用现代检测技术来检测alpha粒子。
你听到的铃声是每当检测器探测到一个alpha粒子之后系统发出的提示声响。 当第二个检测器在金箔斜后方的时候，大约每隔几秒钟就可以检测到一个散射的alpha粒子。 由此可以推断出金箔的 原子钟大部分空间是空荡的，alpha粒子可以在其间自由地穿过。 少量的alpha粒子非常偶然的靠近金的原子核，它们就会被原子核的正电场推开形成散射粒子。
如果alpha粒子面对金箔中的原子核斜射过来，则散射的角度比较小。 如果迎头撞击金的原子核，就会被反向弹射回来。 令人着迷的是这种现象给我们揭示出物质内部深处的重要结构。 显示了非常重的原子核外边是空洞的空间，电子分布在原子核的周围。 这个关于原子结构的图像是现在原子物理的开始。
▲ 图1.3 现代粒子物理学
现在研究原子核物理的方法与卢瑟福当年所使用的的方法是相同的， 就是利用一些高速运动的例子去轰击目标物，然后通过研究散射粒子的轨迹来推断目标物的结构。 现在建造的大型强子对撞机正式遵循相同的原理构建的。 通过加速器将一些带电粒子加速轰击目标，撞击后的粒子四散开来。 然后通过检测散射的粒子行为来推断出撞击过程发生的事实。 这一切都来自于最初卢瑟福将alpha粒子轰击目标物的思想。
一百年来，原子核物理从可以放置在桌面上的金箔散射装置一直演化到现在周长为27公里的大型强子对撞机。
由于金箔内原子核非常小，大部分的alpha粒子都直接通过。 只有非常少的alpha粒子可能撞击到原子核被弹射回来。所以检测这些被弹射回来的alpha粒子需要非常耐心的等待。
▲ 图1.4 金箔实验
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